凤庆县大摆田水库沥青混凝土心墙堆石坝设计

凤庆县大摆田水库沥青混凝土心墙堆石坝设计

武 义

临沧市水利水电勘测设计研究院有限公司 云南 临沧 677000

摘要：水库蓄水水源工程枢纽建筑物主要由拦河坝、溢洪道、导流输水放空隧洞等组成，其中，拦河坝相比其他建筑物体量大、投资高，往往是整个枢纽建筑物的关键和核心部分，坝体设计的合理与否直接决定项目成败及影响经济效益。本文结合项目实际情况，通过方案比选、分析论证，最终设计沥青混凝土心墙堆石坝作为大摆田水库挡水建筑物。

关键词：拦河坝；比选；结构布置；标准；分析计算

1.项目概况

大摆田水库径流区属澜沧江流域澜沧江水系，位于澜沧江二级支流岔河中上游。水库总库容1032.7万m3，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，设计灌溉面积2.949万亩。枢纽建筑物由沥青混凝心墙堆石坝、溢洪道、导流输水放空隧洞组成。

2.坝轴线选择

水库选定坝址位于岔河中上游草坝河与酒房河交汇口附近，河道长度630m。该河段河床开阔，左岸坡趋于顺直，基岩局部出露，左岸坡发育中型古滑坡，滑坡体量36万m3，右岸为凸出的山脊，基岩普遍出露，右岸地质条件较左岸好。靠坝址下游侧河道急剧转，且右岸地形坡度较陡，不具备布置枢纽建筑物的条件；两支流以上不具备兴建满足规划区用水要求的水库。经对枢纽建筑物详细布置分析，坝址具备布置枢纽建筑物并满足建库蓄水条件的坝轴线位于河床高程1590.00～1592.00m、河段长116m的范围，但该河段左岸部分被Ⅱ号滑坡体覆盖，要完全避开滑坡体难于实现。因此，为最大限度避开滑坡体对大坝影响，确保工程安全，本阶段选择不同的上、下两坝轴线进行比选。

经枢纽布置，对两坝轴线在地形地质条件、基础处理、施工条件、安全风险和工程投资等方面进行比较，比较结果详见下表。

表1上、下坝轴线方案综合比较表

综上所述，下坝轴线区域断层F39穿过下游坝基，左岸分布中型古滑坡体，断层破碎带上部清除处理可能扰动滑坡体，坝体左右岸均存在高边坡，滑坡体和高边坡处理难度和代价都都特别大，存在不可控因素，安全风险大，且上坝轴线较下坝轴线节省投资3824.39万元。选定条件较好的上坝轴线作为大摆田水库的推荐坝轴线。

3.坝型选择

3.1基本坝型选择

水库坝址左岸坝轴线处山嘴为陡峻凹坡，其下游冲沟切割较深，冲沟下游即为Ⅱ号滑坡；右岸山体向河床方向收窄，形成斜指上游的单薄弯曲山脊，坡面陡峻；上游两条支流之间为陡坡山包地形，坡面不规整。坝址基础置于变质砂岩、微晶片岩，泥质粉砂岩、砂岩，英安岩，岩基为软至坚硬岩，左右岸下伏基岩风化强烈，节理裂隙发育，岩体较破碎，左岸坡强风化层厚度0～20m，右岸坡强风化层厚度10～50m。刚性坝对坝址基础地质条件要求较高，坝基岩石风化较深，高重力坝建基面需置于弱～微风化基岩上，开挖巨大，不适宜建刚性坝。土石坝对基础要求低，清除表层松散的不良表土处理后，能满足土石坝基础强度要求，本阶段选择土石坝型作为基本坝型。

3.2代表坝型比选

本着因地制宜就地取材，充分利用当地材料筑坝，坝址区附近堆石料比较丰富，运距仅为5km，距离较近，储量和质量均满足堆石坝填筑要求，堆石坝较风化料坝填筑量小、投资更省、施工工期短，且堆石坝型占地范围小，对受地形条件限制的坝址更利于枢纽建筑物的布置，因此本工程拟定坝型为堆石坝。结合工程区地形地质条件，料场分布、储量和质量情况、施工条件等因素，选择沥青混凝土心墙堆石坝、粘土心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝进行比较分析。

经比选分析，沥青混凝土心墙堆石坝建筑工程投资22867万元，粘土心墙堆石坝建筑工程投资24017万元，混凝土面板堆石坝建筑工程投资24862万元。本工程坝址区附近粘土料较少且分散，土料均一性难保证，可作为粘土心墙料的土地大部分种植核桃、茶叶等经济作物，征地困难，征地补偿费用高；部分粘土料场为国家基本农田范围，基本不具备征占使用条件；且粘土心墙堆石坝方案心墙底部宽度较大，心墙下部边界距Ⅱ号滑坡体较近，基础开挖会扰动滑坡体，存在较大的安全风险，因此，不宜采用粘土心墙堆石坝；另外，由于该工程坝址地形起伏大，坝基风化强烈，采用混凝土面板防渗则趾板基础条件差，趾板基础开挖产生高边坡，趾板基础处理工程量大，防渗面板贴坡严重，存在不均匀沉降变形破坏并产生渗漏的问题。通过综合分析比较，设计选择沥青混凝土心墙堆石坝作为推荐坝型。

4.坝体结构布置

4.1坝顶高程确定

坝顶高程根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2020）计算确定。公式：

式中：——坝顶超高（m）；

——最大波浪在坝坡上的爬高（m）；

——最大风壅水面高度（m）；

——安全加高（m）；

坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，根据规范按以下工况计算选取最大值作为坝顶高程。计算成果见下表。

表2拦河坝坝顶高程计算成果表

坝顶高程计算最大值1667.26m。考虑坝顶部受水压力作用小，从减少工程量，节约投资的角度出发及根据规范要求，增设高于坝顶1.2m的防浪墙，设计坝顶高程1666.10m，高于校核洪水位0.76m，高于设计洪水位2.20m，防浪墙顶高程1667.30m。

4.2坝顶结构

拦河坝坝顶高程1666.10m，坝顶长350m，工程处于Ⅷ度高烈度地震区，坝顶宽取12m。为减少坝体填筑工程量，降低工程投资，坝顶上游设高2.8m的L型C25钢筋混凝土防浪墙，高于坝顶1.2m，厚50cm，顶部高程1667.30m，底部与沥青混凝土心墙连接形成一个整体作为坝体防渗体系。

4.3坝体分区

堆石体采用燕山早期黑云母二长花岗岩作为堆石料，结合施工顺序和料场开采实际情况根据石料性质分区填筑，过渡料采用级配良好的砂碎石料填筑，防渗体由C25钢筋混凝土防浪墙、沥青混凝土心墙、基座、止水铜片连接共同组成坝体的防渗体系。

坝顶高程1666.10m，坝顶宽12m，基座清基高程1578.60m，最大坝高87.5m，坝顶长350m。防浪墙底部与沥青混凝土心墙连接，沥青混凝土心墙从上到下采用阶梯式变厚度结构，根据不同设计水头分别采用0.6m、0.8m、1.0m厚度，底部与C25钢筋混凝土基座连接共同组成坝体的防渗体系。

沥青混凝土心墙上、下游各设置水平厚度为3m的砂碎石过渡层，采用级配良好、强度坚硬的砂碎石料填筑。

上、下游坝壳结合施工顺序和料场开采实际情况根据石料性质分区填筑，上游第一台戗台（高程1627.60m）以下度汛坝体和下游高程1607.60m～1657.60m（坝轴线上游9.5m）的坝体范围为堆石料（Ⅱ区），采用料场前期开采的风化程度相对较高的块石料填筑，其余部位坝壳为堆石料（Ⅰ区），随着料场开采深度的增加，新鲜基岩风化程度低，各项指标较好，采用其填筑于堆石料（Ⅰ区），上、下游坝面进行护坡处理。

4.4上、下游坝坡结构

大坝坝坡坡比选择根据规范要求及参照已建工程初步拟定，最终由稳定计算确定。大坝上游坝坡设二级变坡，自上而下坡比分别为1：1.8、1：2.0，戗台高程1627.60m，戗台宽3m，下游坡设置三级变坡，坡比为1：1.8、1：1.8、1：1.9，戗台高程分别为1638.10m、1610.60m，戗台宽度均为2m。

4.5防渗体结构布置

大坝防渗体为沥青混凝土心墙，心墙轴线设置在坝轴线上游4m处，心墙顶高程为1664.50m，心墙顶宽0.6m，厚度变化呈阶梯式，心墙高程1664.50～1638.10m之间厚度为0.6m，高程1638.10～1610.60m之间厚度为0.8m，高程1610.60m以下厚度为1.0m，沿心墙底部全线设置高3m，上、下游坡比均为1：0.25的局部变厚段。心墙与防浪墙、基座混凝土之间各设置铜片止水，以构成完整的大坝防渗体系，并在防浪墙、心墙及基座混凝土结合部位涂刷砂制沥青玛蹄脂和乳化沥青。

4.6大坝下游压脚平台

坝址左岸坡发育Ⅱ号滑坡体，坝体下游堆石体局部压覆滑坡，坝体压覆范滑坡分布高程在1586～1628m之间，铅垂厚度多在5～10m之间，最大为25.6m。

为加强滑坡体抗滑稳定性，下游设置堆石体压脚平台。根据滑坡体抗滑稳定分析计算结果，滑坡体最危险工况下可能滑出的滑出带在高程1588.0m~1611.0m，最危险滑出带在高程1598.5m~1605.5m。平台分两区填筑，与坝体接触及底部采用料场堆石料填筑，平台外侧顶部采用心墙开挖碎石料填筑。平台下游设两级坡，自上而下坡比分别为1：2.0、1：2.15，变坡处设2m宽的戗台，戗台高程1595.60m。

5.填筑标准

5.1沥青混凝土

根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL501-2010），碾压式沥青混凝土心墙的沥青混凝土防渗层，孔隙率应不大于3%，渗透系数应不大于1×10-8cm/s，水稳定系数应不小于0.9；沥青含量为6.0%～7.5%；粗骨料最大粒径不宜大于19mm。

5.2堆石料

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228-2013），堆石料的填筑标准宜用孔隙率作为设计控制指标，主堆石料的孔隙率宜为20%~25%、次堆石料的孔隙率宜为21%~26%。

堆石料（Ⅰ区）按主堆石料设计，最大粒径按层厚80%控制，小于5mm含量不超过20%，小于0.075mm含量不大于5%。堆石料设计干密度为2.0g／cm3，孔隙率不大于22%。

堆石料（Ⅱ区）按次堆石料设计，最大粒径不得超过层厚，小于5mm含量不超过20%，小于0.075mm含量不大于5%。堆石料设计干密度为1.97g／cm3，孔隙率不大于25%。

5.3过渡料

根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL501-2010），心墙两侧应设过渡层，压实后的过渡层应具有变形协调、渗透稳定性。过渡层的水平宽度为3.0m。过渡层料应质地坚硬，具有较强的抗水性和抗风化能力，可采用经筛选加工的砂砾石、人工砂石料或其掺配料。

过渡层料应具有连续的级配，最大粒径不宜大于80mm；小于5mm的含量宜为25%～40%；小于0.075mm的含量不宜大于5%。过渡料设计干密度为2.11g／cm3，孔隙率不大于21%。

6基础处理

基础处理包括帷幕防渗和基础固结处理，防渗采用帷幕灌浆垂直防渗处理方案。帷幕灌浆防渗标准为透水率q≤5Lu界限以下5m，左、右岸防渗处理范围以正常库水位与地下水位相交，左岸向山体延伸63m，右岸向山体延伸189m。

帷幕灌浆在坝基段采用双排布置，坝基两岸采用单排孔布置，主帷幕灌浆轴线长602m，次帷幕灌浆轴线长350m。为提高心墙基础的整体性，避免发生地基不均匀变形使沥青心墙产生拉应力区，设计对心墙基础全范围作固结灌浆处理，并将固结灌浆处理范围延伸至右坝肩溢洪道控制段基础，固结灌浆轴线长372m。

7坝体稳定计算

计算采用《AUTOBANK》计算，采用毕肖普法，搜寻最危险滑裂面求出整体滑动稳定的最小安全系数，经计算，拦河坝抗滑、抗震稳定计算结果均满足规范要求。坝体结构稳定分析计算成果见下表。

表3             拦河坝抗滑、抗震稳定分析计算成果表

参考文献：

[1] 临沧市水利水电勘测设计研究院.云南省临沧市凤庆县大摆田水库工程初步设计报告.

[2] SL274-2020.碾压式土石坝设计规范.

[3] SL501-2010.土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范.

[4] SL228-2013.混凝土面板堆石坝设计规范.

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